光纖光學(第3版)（簡體書）

第3版前言

本書第2版自2013年問世至今已有近8年的時間，並已多次重印。在這期間，光纖理論、技術和應用

均已取得長足的進步。為此，需要對《光纖光學》（第2版）作相應的修改。

近年來，光纖領域有兩個方面的重要進展： 光纖理論和光纖結構。由於光子晶體光纖的出現，光纖傳輸理論翻開了新的一頁： 光波在光纖中傳輸時有禁帶和導帶之分； 在很寬的波段實現單模傳輸； 高非線性、強雙折射等許多新的特性

呈現出來。在光纖結構的進展方面，出現了構成光子晶體光纖的多孔/多層結構、用於光纖雷射器的雙包層光纖、用於能量傳輸的反諧振光纖和納米光纖等，突破了折射率為階躍或漸變的纖芯包層常規結構。此外，分散式光纖傳感器

是傳感器領域的一個全新的類型。對於這些進展，本書修改後均有所反映，尤其對於光子晶體光纖相關的理論分析和設計的數值計算方法，做了必要的充實。在光纖傳感領域，無論其應用的廣度和深度均有很大進展，尤其如光子晶體光纖、納米光纖傳感器等新型光纖的應用。光纖傳感也是光網絡應用不可或缺的基礎之一，如大規模分散式傳感的工程化。這些新進展在第3版中也有相應的擴充。

本書第3版仍然保留了第2版的主要特色，它們是： 在選材上注重突出基本概念，理論與實際並重，力求反映最新成果，注重系統性與完整性。本書對公式的數學推導過程從略，以突出對物理意義的闡述。此外，除對偏振特性和光纖傳感的原理部分討論較詳細外，為適應光纖理論的發展，對光纖設計相關的數值計算方法做了必要的補充，將第1章光纖傳輸的基本理論分為三部分——光線理論、波動理論和數值分析方法，補充內容完整勾勒出光纖數值分析方法的概貌。較全面地介紹各類特種光纖和光纖的測試方法。其中，對於變折射率光纖作為成像元件在光纖系統中的應用進行了較詳細的論述，有助於讀者正確地選用光纖以滿足工作的需要。較全面地介紹了由光纖構成的各種有源和無源器件，各種光纖傳感器和傳感系統。

第3版的修改內容主要包括：

(1) 編排次序有變。第3版仍分為三部分，分別是光纖理論和特性（第1章光纖傳輸的基本理論，第2章光纖的特性，第3章光纖系統的損耗與光纖處理工藝）； 光纖技術和器件（第4章特種光纖； 第5章光纖特徵參數的測量，第6章光纖無源及有源器件）； 光纖的應用（第7章光纖傳輸資料和圖像，第8章光纖傳感器）。

(2) 內容有增刪。第1章增加了

“1.4 光纖的數值分析方法”； 第2章增加了“2.2.3 彎曲損耗”； 第3章增加了“3.2.3 大功率LD陣列耦合技術”； 第4章增加了“4.2.3 少模光纖”“4.4.5 反諧振光纖”； 第5章增加了“5.6.5 光纖三維折射率測量”； 第6章增加了

“6.4.3 光纖旋轉連接器產品與工業應用”“6.9.4 工業光纖雷射器與新型光纖雷射器”“6.10.2 光纖Brillouin雷射器

與放大器”； 第8章增加了“8.10.4 光子晶體光纖SPR傳感器”“8.10.5 光子晶體光纖SERS”。

黎敏教授負責本書第3版的全部修訂工作，夏曆教授參與了本書第3版的修訂，並撰寫了第1章的

“1.4光纖的數值分析方法”； 第4章的“4.2.3 少模光纖”和“4.4.5 反諧振光纖”； 第8章“8.10.4光子晶體光纖SPR傳感器”和“8.10.5 光子晶體光纖SERS”。

在本書的修改過程中，不少教師和研究生提出了許多寶貴的意見，對此深表感謝。最後，還要感謝清華大學出版社的盛東亮

編輯為本書的出版所做的具體指導和細緻的編輯工作。

由於作者水準有限，書中難免存在缺點，歡迎讀者批評指正。

廖延彪2021年4月於清華園

第2版前言

本書第1版自2000年問世至今已有10餘年的時間，已經重印8次。在這期間光纖理論和技術(包括光纖傳輸和傳感)均已取得長足的進步。為此有必要對第1版作必要的修改。

10餘年來，光纖領域的重要進展有兩方面： 光纖理論和光纖結構。由於光子晶體光纖的出現，使光纖傳輸理論翻開了新的一頁： 光波在光纖中傳輸時存在禁帶和導帶； 在較寬的波段可單模傳輸以及其他許多新的特性。至於光纖結構的進展，則是出現了構成光子晶體光纖的多孔/多層結構和用於光纖雷射器的雙包層光纖，它突破了僅由纖芯和包層，折射率為突變或漸變的常規結構。此外，分散式光纖傳感器的出現，則是傳感器領域的一個全新的傳感器品種。對於這些進展，本版均有所反映，但對於光子晶體光纖的傳輸理論，由於內容太多、太深，已超出教學大綱要求，本版未涉及，讀者可參考有關文獻。

本版仍然保留第1版的主要特色： 在選材上注重突出基本概念，理論與實際並重，力求反映最新成果，注重系統性與完整性。本書對公式的數學過程敘述從略，以突出對物理意義的闡述。對偏振特性和光纖傳感的原理闡述較為詳細； 全面地介紹了各類特種光纖和光纖的測試方法，對於變折射率光纖作為成像元件在光纖系統中的應用進行了系統的論述，有助於讀者在工作實踐中正確地選用光纖。此外，書中也詳盡地介紹了由光纖構成的各種有源和無源器件，以及各種光纖傳感器。

本版修改部分主要包括：

(1) 編排次序有變。第2版仍為三部分，分別是光纖理論和特性（第1章光纖傳輸的基本理論，第2章光纖的特性，第3章光纖系統的損耗與光纖處理工藝）； 光纖技術和器件（第4章特種光纖，第5章光纖特徵參數的測量，第6章光纖無源及有源器件）； 光纖應用（第7章光纖傳輸資料和圖像，第8章光纖傳感器）。

(2) 內容有增刪。第2章改寫了2.4光纖的設計。第3章增加了3.4 側邊拋磨光纖，3.5 光纖的腐蝕，3.6 光纖的改性。第4章增加了4.4 紅外光纖和紫外光纖，4.5 螢光光纖，4.6 聚合物光纖，4.7 光子晶體光纖，4.8 側邊拋磨光纖與金屬化光纖，4.9 單晶光纖，4.11 雙包層光纖，4.12多芯光纖，4.13 微納光纖。第5章增加了5.5.5偏振模式色散及其測量。第6章增加了6.4光纖旋轉連接器，6.5 光衰減器，6.6 光暫存器，6.9.3大功率雙包層光纖雷射器，6.10光纖Raman雷射器與光纖Brillouin雷射器。第8章增加了8.7光纖螢光溫度傳感器，8.8分散式光纖傳感器，8.9聚合物光纖傳感器，8.10光子晶體光纖及其在傳感中的應用，8.12光纖傳感網絡，並改寫了8.13光纖傳感技術的發展趨勢及課題。

黎敏教授參加了本書第2版的全部修訂工作。

在本書的修改過程中，不少教師和研究生提出了許多寶貴的意見，對此深表感謝。最後，還要感謝清華大學出版社的盛東亮編輯為本書的出版所做的悉心工作。

由於光纖光學技術發展迅猛，作者水準有限，書中難免存在疏漏，歡迎讀者批評指正。

廖延彪2013年7月於清華園

第1版前言

隨著激光的問世，古老的光學已裂變出眾多的分支，“光纖光學”是其中之一。它是研究光導纖維的光學特性及其應用的一門學科。“光纖光學”這一名稱出現於20世紀50年代，但隨著光纖技術的迅速發展，尤其是光纖通信的廣泛應用，使這一新分支的內容愈來愈豐富。光纖光學的研究物件——光導纖維的特點是它的有界性，即光波在光纖中橫向受邊界限制，縱向可無限延伸，因而其光學特性和大塊媒質的光學特性有很大差別，其中很多特性還正在研究之中。目前，雖已有光纖光學方面的專著問世，但由於出版較早，未能包括近十年來的成果，且對光纖光學介紹不夠全面。筆者撰寫本書的目的就是要對光纖光學的原理及其應用作較全面的介紹。

全書共有8章，可分為三部分： 光纖中光傳輸和傳感的基本理論、各類光纖和光纖參數的測試方法、光纖的應用——光纖器件和傳感。第一部分主要討論光纖傳輸的模式理論和模耦合理論，光纖的非線性理論，光纖的損耗、色散和偏振特性，著重討論光纖的偏振特性，對光纖傳感的原理進行了較詳細的論述。由於光纖的模式理論和模耦合理論與大塊媒質中的光波傳輸理論有很大差別，其計算過程又很繁雜； 為使讀者對其物理圖像有一較清楚的瞭解，而又不必花過多精力於數學推導過程，因此，本書對公式的數學過程從略，以突出對物理意義的闡述。此外，對偏振特性和光纖傳感的原理部分則討論較詳細，這是其他專著所欠缺的，也是讀者所需要的。第二部分較全面地介紹各類特種光纖和光纖的測試方法，其中對於變折射率光纖作為成像元件在光纖系統中的應用和高雙折射光纖拍長的測量方法進行了較詳細的論述。它有助於讀者正確地選用光纖以滿足工作的需要。第三部分較全面地介紹由光纖構成的各種有源和無源器件，各種光纖傳感器及技術，其中較詳細地介紹光纖光柵，光纖傳感的補償技術，光纖白光干涉技術，光纖光柵傳感技術以及光纖傳感在智能材料和結構中的應用。這部分的重點放在以後的應用中需要掌握的一些基本特性上，而不詳述目前的實驗系統。

本書在選材上注重突出基本概念，理論與實際並重，力求反映最新成果，注重系統性與完整性。

在此說明一點，本書所討論的模式理論和模耦合理論只是對光波導問題做了現象性的描述，它只需經典場論知識。雖然模式理論推動了當今光纖技術和集成光學技術的發展，但是這一理論未涉及導波光的物理本質。導波光的許多更深入的問題，用模式理論無法解釋。例如，在光纖這樣一個很有限的空間內，導波光遵守光線光學規律（甚至比普通光波遵守得更好），在光纖中傳輸很長距離而衍射損耗很小； 導波光量子的壽命和穩定性問題等。這些關於光導波本質性問題的探討，必須採用量子理論。這已超出本書範圍，而且這方面的研究成果尚不多見。

在本書的編寫過程中，不少教師和研究生提出了許多寶貴的意見，並對教材的出版給予了大力協助，對此深表感謝。其中特別要感謝高以智教授等的支持和鼓勵，還有賴淑蓉老師和宋清霞同學的支持和幫助，她們兩位為原稿的打印付出了大量辛勤的勞動。最後，還要感謝清華大學出版社的王仁康、孫禮等同志為本書的出版所做的具體指導和細緻的編輯工作。

由於作者水準有限，書中難免存在錯誤和缺點，歡迎讀者批評指正。

廖延彪1999年11月於清華園

目錄

第一部分光纖理論和特性

第1章光纖傳輸的基本理論

1.1引言

1.2光纖的光線理論

1.2.1均勻折射率光纖的光線理論

1.2.2變折射率光纖的光線理論

1.3光纖的波動理論

1.3.1光波導的一般理論——正規光波導

1.3.2均勻折射率光纖的波動理論

1.3.3變折射率光纖的波動理論

1.4光纖的數值分析方法

1.4.1傳輸矩陣法（TMM）

1.4.2多極展開法（HEM）

1.4.3有限元法（FEM）

1.4.4平面波法（PWM）

1.4.5時域有限差分法（FDTD）

1.5偏振光在光纖中的傳輸

1.5.1偏振光的矩陣標記法——Jones向量法

1.5.2Jones矩陣法在光纖中的應用

1.5.3單模光纖在外力作用下引起雙折射效應的Jones矩陣

1.5.4Poincaré球圖示法

1.6均勻折射率單模光纖的分析

1.6.1引言

1.6.2基本性質

1.6.3功率分佈

1.7非正規光波導的模耦合方程

1.7.1非正規光波導

1.7.2非正規光波導的模耦合方程（向量模耦合方程）

思考題與習題

第2章光纖的特性

2.1引言

2.2光纖的損耗

2.2.1吸收損耗

2.2.2散射損耗

2.2.3彎曲損耗

2.3光纖的色散

2.3.1概述

2.3.2模式色散

2.3.3波長色散

2.4光纖的設計

2.4.1引言

2.4.2多模光纖折射率分佈的設計

2.4.3單模光纖的設計

2.4.4典型單模光纖的折射率分佈

2.4.5典型單模光纖性能

2.5彈光效應

2.6光纖中的雙折射

2.6.1纖芯的橢圓度引起的雙折射

2.6.2應力引起的雙折射

2.6.3彎曲引起的雙折射

2.6.4扭曲引起的雙折射

2.6.5外場引起的雙折射

2.6.6減小雙折射影響的特殊措施

2.7光纖中的非線性效應

2.7.1基本原理

2.7.2自相位元調製

2.7.3光纖中的光孤子

2.7.4交叉相位調製

2.7.5受激Raman散射

2.7.6受激Brillouin散射

2.7.7四波混頻

思考題與習題

第3章光纖系統的損耗與光纖處理工藝

3.1引言

3.2光纖和光源的連接

3.2.1半導體雷射器和光纖的連接

3.2.2半導體發光二極管和光纖的耦合

3.2.3大功率LD陣列耦合技術

3.3光纖和光纖的連接

3.3.1光纖與光纖的固定連接

3.3.2多模光纖和多模光纖的直接耦合

3.3.3單模光纖和單模光纖的直接耦合

3.4側邊拋磨光纖

3.5光纖的腐蝕

3.5.1化學腐蝕法制作納米光纖探針

3.5.2影響腐蝕效果的因素

3.6光纖的改性

3.6.1摻雜效應

3.6.2光敏效應

3.6.3非線性效應——Raman效應和Brillouin效應

3.6.4力學效應

3.6.5熱學效應

3.6.6電磁效應

思考題與習題

第二部分光纖技術和器件

第4章特種光纖

4.1引言

4.2功能型光纖

4.2.1變折射率光纖

4.2.2偏振保持光纖簡介

4.2.3少模光纖

4.2.4螢光光纖

4.2.5增敏和去敏光纖

4.3新材料光纖

4.3.1紅外光纖與紫外光纖

4.3.2聚合物光纖

4.3.3單晶光纖

4.4新結構光纖

4.4.1光子晶體光纖

4.4.2側邊拋磨光纖與金屬化光纖

4.4.3雙包層光纖

4.4.4多芯光纖

4.4.5反諧振光纖

4.4.6微納光纖

思考題與習題

第5章光纖特徵參數的測量

5.1引言

5.1.1光纖測量的內容與特點

5.1.2光纖測量的方法

5.1.3光纖測量儀器

5.2損耗測量

5.2.1光纖損耗的測量

5.2.2光纖器件的插損測量

5.2.3譜損的測量

5.2.4反射損耗的測量

5.3模場直徑測量

5.3.1模場直徑定義

5.3.2測量方法

5.4截止波長及其測量

5.4.1截止波長的定義

5.4.2傳導功率法

5.4.3模場直徑法

5.4.4替代法

5.5色散測量

5.5.1測量原理

5.5.2相移法

5.5.3干涉法

5.5.4基帶測量

5.5.5偏振模色散及其測量

5.6折射率分佈、幾何尺寸與最大理論數值孔徑的測量

5.6.1折射近場法

5.6.2近場掃描法

5.6.3幾何尺寸的測量

5.6.4最大理論數值孔徑的測量

5.6.5光纖三維折射率測量

5.7高雙折射光纖拍長的測量

思考題與習題

第6章光纖無源及有源器件

6.1引言

6.2光纖耦合器、環行器與光波分複用器

6.2.1熔錐型單模光纖光分/合路連接器

6.2.2磨拋型單模光纖定向耦合器

6.2.3光環行器

6.2.4光波分複用器（WDM）

6.3光開關、光纖濾波器與光纖調製器

6.3.1概述

6.3.2光開關原理

6.3.3光纖調製器

6.3.4光纖濾波器

6.4光纖旋轉連接器

6.4.1光纖旋轉連接器的工作原理

6.4.2光纖旋轉連接器的基本結構

6.4.3光纖旋轉連接器產品與工業應用

6.5光衰減器

6.5.1光衰減器原理、分類與基本結構

6.5.2全光纖熱光型可變光衰減器

6.6光暫存器

6.7光纖偏振器件

6.7.1光纖偏振控制器

6.7.2保偏光纖偏振器

6.7.3光纖隔離器

6.8光纖光柵

6.8.1引言

6.8.2光纖光柵的分類

6.8.3光纖Bragg光柵的理論模型

6.8.4均勻週期正弦型光纖光柵

6.8.5非均勻週期光纖光柵

6.8.6光纖光柵的寫入方法簡介

6.9摻雜光纖雷射器與放大器

6.9.1摻雜光纖雷射器

6.9.2光纖放大器

6.9.3大功率雙包層光纖雷射器

6.9.4工業光纖雷射器與新型光纖雷射器

6.10光纖Raman與光纖Brillouin雷射器

6.10.1光纖Raman雷射器與放大器

6.10.2光纖Brillouin雷射器與放大器

思考題與習題

第三部分光纖的應用

第7章光纖傳輸資料和圖像

7.1概述

7.2光纖通信

7.3光纖傳輸距離的估算

7.3.1光纖的損耗

7.3.2光纖的色散

7.3.3色散對光纖傳輸的影響

7.4光纖傳光束

7.5光纖傳像束

7.5.1概述

7.5.2光纖傳像束的結構

7.5.3光纖傳像束的性能

7.5.4應用

思考題與習題

第8章光纖傳感器

8.1概述

8.1.1光纖傳感器的定義及分類

8.1.2光纖傳感器的特點

8.2振幅調製傳感型光纖傳感器

8.2.1光纖微彎傳感器

8.2.2光纖受抑全內反射傳感器

8.2.3光纖輻射傳感器

8.3振幅調製型光纖傳感器的補償技術

8.3.1雙波長補償法

8.3.2旁路光纖監測法

8.3.3光橋平衡補償法

8.4相位調製傳感型光纖傳感器

8.4.1引言

8.4.2MachZehnder光纖干涉儀和Michelson光纖干涉儀

8.4.3Sagnac光纖干涉儀

8.4.4光纖FabryPerot干涉儀

8.4.5光纖環形腔干涉儀

8.4.6白光干涉型光纖傳感器

8.4.7外界壓力對光纖干涉儀的影響

8.4.8溫度對光纖干涉儀的影響

8.4.9光纖干涉儀的傳感應用

8.5偏振態調製型光纖傳感器

8.5.1光纖電流傳感器

8.5.2雙折射對光纖傳感的影響

8.5.3光纖偏振干涉儀

8.6波長調製型光纖傳感器

8.6.1引言

8.6.2光纖Bragg光柵應變傳感模型

8.6.3光纖Bragg光柵溫度傳感模型分析

8.6.4光纖Bragg光柵在光纖傳感領域的典型應用

8.6.5長週期光纖光柵在傳感領域的應用

8.6.6光纖光柵折射率傳感技術

8.6.7LPG MachZehnder干涉儀折射率傳感器

8.7光纖螢光溫度傳感器

8.7.1光纖螢光溫度傳感原理

8.7.2螢光壽命測溫

8.7.3螢光強度比測溫

8.7.4螢光傳感材料

8.7.5螢光測溫系統在工業領域的應用

8.8分散式光纖傳感器

8.8.1概述

8.8.2散射型分散式光纖傳感器

8.8.3偏振型和相位型分散式光纖傳感器

8.9聚合物光纖傳感器

8.10光子晶體光纖及其在傳感中的應用

8.10.1光子晶體光纖用於氣體檢測

8.10.2基於孔內光和物質相互作用的其他傳感器

8.10.3特種光子晶體光纖與傳感

8.10.4光子晶體光纖SPR傳感器

8.10.5光子晶體光纖SERS

8.10.6摻雜的微結構聚合物光纖傳感器

8.11傳光型光纖傳感器

8.11.1振幅調製傳光型光纖傳感器

8.11.2相位調製傳光型光纖傳感器

8.11.3偏振態調製傳光型光纖傳感器

8.12光纖傳感網絡

8.12.1可用於構成光傳感網的傳感器

8.12.2成網技術

8.13光纖傳感技術的發展趨勢及課題

思考題與習題

參考文獻